现代测试技术课件.ppt

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机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理第一节第一节相关分析及其应用相关分析及其应用第二节第二节功率谱分析及其应用功率谱分析及其应用第三节第三节模拟信号数字化处理模拟信号数字化处理第四节第四节频谱分析的应用频谱分析的应用第第33章章测试信号分析与处理测试信号分析与处理机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理第一节第一节相关分析及其应用相关分析及其应用一、相关与相关系数一、相关与相关系数当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量当两个随机变量之间具有某种关系时，随着某一个变量数值的确定，另一变量却可能取许多不同值，但取值有一定数值的确定，另一变量却可能取许多不同值，但取值有一定的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着的概率统计规律，这时称两个随机变量存在着相关关系相关关系。

a）a）变量变量xx和变量和变量yy之间是无关的之间是无关的b）b）变量变量xx和变量和变量yy之间有相关关系之间有相关关系机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理所以所以相关系数相关系数的绝对值愈接近的绝对值愈接近11，变量，变量xx和和yy的线性相关程的线性相关程度愈高。

相关系数度愈高。

相关系数接近于零，则可认为变量接近于零，则可认为变量xx、yy之间完之间完全无关。

全无关。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理自相关函数：

同一过程不同时刻的相互依赖关系，描自相关函数：

同一过程不同时刻的相互依赖关系，描述随机信号述随机信号x（t）x（t）在任意两个不同时刻在任意两个不同时刻t1t1和和t2t2的取值之间的的取值之间的相关程度。

相关程度。

互相关函数：

不同过程在某一时刻的相互依赖关系，互相关函数：

不同过程在某一时刻的相互依赖关系，描述随机信号描述随机信号x（t）x（t），y（t）y（t）在任意两个不同时刻在任意两个不同时刻t1t1和和t2t2的取的取值之间的相关程度。

值之间的相关程度。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理自相关函数的工程自相关函数的工程应用应用11）区别信号类型）区别信号类型22）检测混杂在随机信号中的周期成分。

）检测混杂在随机信号中的周期成分。

例例某一机械加工表面粗糙度波形的自相关分析。

某一机械加工表面粗糙度波形的自相关分析。

aa）表面粗糙度）表面粗糙度bb）自相关函数）自相关函数自相关图呈现出周期性，自相关图呈现出周期性，表明造成表面粗糙度的原表明造成表面粗糙度的原因中包含有某种周期因素。

因中包含有某种周期因素。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理互相关函数的互相关函数的应用应用11）互相关函数的计算要用到时间延时信息，因而可用来测）互相关函数的计算要用到时间延时信息，因而可用来测量有时间延时信息的物理量量有时间延时信息的物理量（如速度、距离、流量等如速度、距离、流量等），而构，而构成相关流量计，这是一种先进的流速、流量测量方法。

成相关流量计，这是一种先进的流速、流量测量方法。

22）对信号中的随机干扰噪声有极强的抑制能力。

基于相关原）对信号中的随机干扰噪声有极强的抑制能力。

基于相关原理可以将混叠在噪声中的微弱有用信号提取出来，或者说将理可以将混叠在噪声中的微弱有用信号提取出来，或者说将噪声从信号中分离出去（噪声从信号中分离出去（相关滤波器相关滤波器）。

）。

测定热轧钢带运动速度测定热轧钢带运动速度钢带表面的反射光经透镜聚焦在相距为钢带表面的反射光经透镜聚焦在相距为dd的两个光电池上。

反的两个光电池上。

反射光强度的波动，经过光电池转换为电信号，再进行相关处射光强度的波动，经过光电池转换为电信号，再进行相关处理。

当可调延时理。

当可调延时等于钢带上某点在两个测试点之间经过所等于钢带上某点在两个测试点之间经过所需的时间需的时间dd时，互相关函数为最大值。

则钢带的运动速度为时，互相关函数为最大值。

则钢带的运动速度为机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理确定埋在地下输油管裂损位置确定埋在地下输油管裂损位置漏损处漏损处KK视为向两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别放置视为向两侧传播声响的声源，在两侧管道上分别放置传感器传感器11和和22，因为放传感器的两点距漏损处不等远，则漏油的，因为放传感器的两点距漏损处不等远，则漏油的音响传至两传感器就有时差，在互相关图上音响传至两传感器就有时差，在互相关图上=mm处互相关函处互相关函数有最大值，这个数有最大值，这个mm就是时差。

由就是时差。

由mm就可确定漏损处的位置：

就可确定漏损处的位置：

ss两传感器的中点至漏损处的距离两传感器的中点至漏损处的距离vv音响通过管道的传播速度音响通过管道的传播速度机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理第三节第三节模拟信号数字化处理模拟信号数字化处理信号处理的目的：

信号处理的目的：

11）分离信、噪，提高信噪比；）分离信、噪，提高信噪比；22）从信号中提取有用的特征信号；）从信号中提取有用的特征信号；33）修正测试系统的某些误差。

）修正测试系统的某些误差。

信号处理系统信号处理系统模拟信号处理系统模拟信号处理系统数字信号处理系统数字信号处理系统模拟信号处理系统模拟信号处理系统由一系列能实现模拟运算的电路，如模拟由一系列能实现模拟运算的电路，如模拟滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。

滤波器、乘法器、微分放大器等环节组成。

数字信号处理系统数字信号处理系统可以在通用计算机上借助程序来实现，也可以可以在通用计算机上借助程序来实现，也可以用专用信号处理机来完成。

数字信号处理机具有稳定、灵活、快用专用信号处理机来完成。

数字信号处理机具有稳定、灵活、快速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业速、高效、应用范围广、设备体积小、重量轻等优点，在各行业中得到广泛的应用。

中得到广泛的应用。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理一、数字信号处理的基本步骤一、数字信号处理的基本步骤信号的预处理信号的预处理是把信号变成适于数字处理的形式，以减是把信号变成适于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。

预处理包括：

轻数字处理的困难。

预处理包括：

11）电压幅值调理，将模拟信号的幅值进行衰减或者放大，）电压幅值调理，将模拟信号的幅值进行衰减或者放大，一符合采集系统输入信号量程的要求，以便充分利用一符合采集系统输入信号量程的要求，以便充分利用AADD转转换器的精确度。

换器的精确度。

22）抗混滤波，按照被测有用信号的最高频率进行低通滤）抗混滤波，按照被测有用信号的最高频率进行低通滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。

波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理33）隔离信号中的直流分量。

）隔离信号中的直流分量。

44）如原信号经过调制，则应先行解调。

）如原信号经过调制，则应先行解调。

模模-数数（A（AD）D）转换转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制是模拟信号经采样、量化并转化为二进制的过程。

的过程。

数字信号处理器或计算机数字信号处理器或计算机对离散的时间序列进行运算处理。

对离散的时间序列进行运算处理。

数字序列数字序列截断（加窗函数）截断（加窗函数）剔除奇异点剔除奇异点数字滤波数字滤波进行各种分析进行各种分析运算结果可以直接显示或打印运算结果可以直接显示或打印。

若后接。

若后接DDAA，还可得到模拟，还可得到模拟信号。

如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过信号。

如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过专门程序再做后续处理。

专门程序再做后续处理。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理二、时域采样及采样定理二、时域采样及采样定理采样函数采样函数模拟信号模拟信号机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理采样采样机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理量化量化采样所得的离散信号的电压幅值，若用二进制数码组来表采样所得的离散信号的电压幅值，若用二进制数码组来表示，就使离散信号变成数字信号，这一过程称为示，就使离散信号变成数字信号，这一过程称为量化量化。

量化一量化一般是由般是由A/DA/D转换器来实现的。

转换器来实现的。

量化过程的量化误差与采集过程中寄存器的位数和采集卡量化过程的量化误差与采集过程中寄存器的位数和采集卡的最大输入幅值有关系。

的最大输入幅值有关系。

量化误差量化误差三、量化和量化误差三、量化和量化误差机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理降低量化误差的措施降低量化误差的措施11）提高）提高A/DA/D转换器的位数即可降低量化误差。

但转换器的位数即可降低量化误差。

但AADD转换器位数选择应视信号的具体情况和量化的精度要求而转换器位数选择应视信号的具体情况和量化的精度要求而定，要考虑位数增多后，成本显著增加，转换速率下降的定，要考虑位数增多后，成本显著增加，转换速率下降的影响。

影响。

22）实际上，和信号获取、处理的其他误差相比，量）实际上，和信号获取、处理的其他误差相比，量化误差通常不大，所以一般可忽略其影响。

化误差通常不大，所以一般可忽略其影响。

机械与电气工程学院机械与电气工程学院长江师范学院长江师范学院机械工程测试技术机械工程测试技术第第33章章信号分析与处理信号分析与处理四、截断、泄漏和窗函数四、截断、泄漏和窗函数1.1.信号的截断、能量泄漏及窗函数信号的截断、能量泄漏及窗函数截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。

截断就是将信号乘以时域的有限宽矩形窗函数。

由于由于W（f）W（f）是一个无限带宽的是一个无限带宽的sincsinc函数，所以即使函数，所以即使x（t）x（t）是带是带限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号的能限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号的能量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。

量在频率轴分布扩展的现象称为泄漏。

截断后信号带宽变为无限带宽，因此无论采样频率多高，截断后信号带宽变为无限带宽，因此无论采样频率多高，信号总是不可避免地出现混叠，故信号截断必然导致一些误差信号总是不可避免地出现混叠，故信号截断必然导致一些误差。

降低泄漏的的方法为增大窗的宽度和选择较好的窗函数。

降低泄漏的的方法为增大窗的宽度和选择较好的窗函数。

选择合适的窗函数来对时域信号进行加权处理。

选择合适的窗函数来对时域信